Como utilizar as interconexões ópticas para otimizar o desempenho do datacenter

A necessidade de interconexões de fibra óptica robustas, de alta velocidade e baixa potência está crescendo para atender as demandas por comunicações confiáveis e de baixa latência na nuvem e em outros datacenters. Os transceptores de fibra óptica podem ser otimizados para atender as necessidades específicas dos datacenters para velocidades de transmissão de até 400 Gigabits/segundo (G). Importantes padrões de módulos para comunicação de dados via fibra óptica em datacenters incluem o fator de forma pequeno plugável (SPF), SPF+ e fator de forma pequeno quad plugável (QSFP). Uma das diferenças entre SPF, SPF+ e QSPF é a velocidade nominal de transmissão. Ainda assim, esse é apenas um fator a ser considerado ao selecionar um transceptor; consumo de energia e gerenciamento térmico, distância de transmissão necessária, faixa de temperatura de operação, diagnósticos integrados e outros fatores devem ser pesados. Além disso, os engenheiros de rede precisam de uma maneira eficaz para testar a faixa de transmissão dos transceptores ópticos e a sensibilidade do receptor.

Este artigo começa revisando considerações importantes ao selecionar transceptores de fibra óptica, compara as opções de interface de hardware fornecidas para SPF, SPF+, QSFP e QSFP-DD (dupla densidade) e apresenta módulos transceptores da Intel Silicon Photonics, II-VI e Cisco Systems. Conclui com um olhar sobre os dispositivos de teste para fibra óptica, incluindo um módulo de loopback da ColorChip para dispositivos de 400 G e uma placa de teste da Multilane para transceptores de 800 G de última geração.

Mono versus multimodo

As fibras ópticas para comunicação de dados consistem em um núcleo de vidro envolto em um revestimento de vidro, cada uma com diferentes índices de refração. As fibras multimodo (MM) típicas têm um núcleo de 50 μm e operam com comprimentos de onda de 750 nm a 850 nm, enquanto uma fibra monomodo (SM) tem um núcleo de 9 μm e normalmente opera com comprimentos de onda de 1310 nm a 1550 nm. No caso de fibras MM, o comprimento de onda da luz é menor do que o comprimento de onda de corte, resultando em múltiplos modos de propagação da luz pela fibra. O núcleo menor na fibra SM só pode propagar um modo para um comprimento de onda especificado (Figura 1).

Figura 1: O núcleo pequeno nas fibras SM restringe sua capacidade de transmitir luz em mais de um modo. (Fonte da imagem: Cisco)

A dispersão e o ruído modal limitam a largura de banda das fibras MM em comparação com as fibras SM, que não estão sujeitas a esses efeitos. Além disso, as fibras SM podem suportar distâncias de transmissão muito maiores em comparação com as fibras MM. A transmissão óptica dos dados é obtida usando um comprimento de onda diferente para cada direção da comunicação. Por exemplo, um conjunto de transceptores ópticos usa uma combinação de comprimentos de onda de 1330 nm e 1270 nm. Um dos transceptores transmite um sinal de 1330 nm e recebe um sinal de 1270 nm, enquanto o outro transceptor transmite um sinal de 1270 nm e recebe um sinal de 1330 nm (Figura 2).

Figura 2: Transceptores ópticos usam comprimentos de onda diferentes para transmitir e receber dados. (Fonte da imagem: Cisco)

Potência e temperatura

Os operadores de datacenter são sensíveis aos custos de energia e temperatura. Enquanto o par trançado não blindado (UTP) para cabeamento de comunicação de dados é barato, um transceptor UTP pode consumir cerca de 5 W de potência em comparação com 1 W ou menos necessário para um transceptor de fibra.

O calor adicional gerado pelos transceptores UTP deve ser removido do datacenter, aumentando o custo total de energia para quase dez vezes. Exceto para trechos muito curtos e baixas taxas de dados, os transceptores de fibra são quase sempre mais baratos considerando os custos operacionais durante toda a vida útil em comparação com as soluções UTP.

Os cabos UTP também são maiores em diâmetro em comparação com o cabeamento de fibra. Eles podem ser grandes demais para caber em alguns suportes para cabos instalados sob o piso em datacenters de alta densidade. Além disso, para cabos Cat 6A transmitindo a 10 G, a diafonia entre cabos UTP pode ser difícil de gerenciar. A fibra MM utiliza transceptores de menor custo, mas o cabeamento é mais caro quando a óptica paralela é utilizada para transmissões de 40 ou 100 G. Como as taxas de dados continuam aumentando, a fibra SM pode oferecer a melhor combinação de baixa energia, baixo custo e solução de tamanho pequeno.

Escolha de faixa de temperatura

Os datacenters estão locados em vários ambientes, desde instalações dedicadas até armários em escritórios, armazéns e fábricas. Os transceptores de fibra óptica estão disponíveis em três faixas de temperatura padrão para atender às necessidades de ambientes específicos:

• 0 °C a +70 °C, chamados de C-temp ou COM, são projetados para ambientes comerciais e de datacenter padrão.
• -5 °C a +85 °C, chamados de E-temp ou EXT, para uso em ambientes mais desafiadores.
• -40 °C a +85 °C, chamados de I-temp ou IND, para uso em instalações industriais.

Espera-se que um transceptor óptico típico opere com sua caixa cerca de 20 graus mais quente do que a temperatura ambiente. Em lugares onde o ambiente excede +50 °C ou cai abaixo de -20 °C, são utilizados transceptores com classificação IND. Algumas aplicações requerem transceptores que possam "partir a frio". Durante a operação de partida a frio, a rede pode acessar a interface I²C dos transceptores e outras interfaces de baixa velocidade, mas o tráfego de dados não começa até que a temperatura da caixa atinja -30 °C. Para garantir uma operação de rede confiável, é importante monitorar a temperatura de operação dos transceptores de fibra óptica.

Monitoramento óptico digital

O monitoramento óptico digital (DOM), também conhecido como monitoramento de diagnóstico digital (DDM), é definido no SFF-8472, parte do acordo entre várias fontes (MSA) focado no monitoramento digital de transceptores de fibra óptica. Ele inclui os seguintes recursos:

• Monitoramento da temperatura de operação do módulo
• Monitoramento da tensão de operação do módulo
• Monitoramento da corrente de operação do módulo
• Monitoramento da potência óptica de transmissão e recepção
• Emite um alarme se os parâmetros excederem os níveis de segurança
• Fornece informações de fábrica dos módulos mediante solicitação

O DOM, conforme especificado pelo SFF-8472, define bandeiras ou condições de alarme específicas. O DOM ajuda os administradores de rede a monitorar o desempenho do módulo e identificar os módulos que talvez precisem ser substituídos antes que falhem.

Até 100 G, módulos transceptores ópticos tem sido gerenciados através de uma interface de controle I²C usando um sistema de comando básico de memória mapeada definido pelo SFF 8636. Os módulos de maior velocidade são mais complexos de gerenciar devido à inclusão de interfaces PAM-4 que necessitam de equalização complexa. A Common Management Interface Specification (CMIS) foi desenvolvida para substituir ou complementar o SFF-8472/8636 para módulos de alta velocidade.

Fatores de forma e esquemas de modulação

Os transceptores SFP estão disponíveis para redes de cobre e fibra. O uso de módulos SFP permite que as portas de comunicação individuais sejam povoadas com diferentes tipos de transceptores. O fator de forma SFP e a interface elétrica são especificados no MSA. Um transceptor SFP básico pode suportar taxas de dados de até 4 G para Fibre Channel. A especificação SFP+ mais atualizada suporta até 10 G, e a mais recente especificação SFP28 suporta até 25 G.

O padrão de transceptor QSFP mais abrangente suporta velocidades de transmissão quatro vezes mais rápidas do que as unidades SFP correspondentes. A variante QSFP28 fornece até 100 G enquanto o QSFP56 duplica isso para 200 G. Um transceptor QSFP integra quatro canais de transmissão e quatro de recepção, “28” significa que cada canal (ou faixa) pode suportar taxas de dados de até 28 G; como resultado, um QSFP28 pode suportar uma configuração de 4 x 25 G (breakout), 2 x 50 G breakout, ou 1 x 100 G, dependendo do transceptor. Como as portas QSFP são maiores que as SFP, há adaptadores disponíveis, permitindo que um transceptor SFP seja colocado em uma porta QSFP.

A última variação é o QSFP-DD que dobra o número de interfaces em relação a um módulo QSFP28 normal. Além disso, a nova especificação inclui suporte para modulação por amplitude de pulso 4 (PAM4) que pode fornecer 50 G, proporcionando uma duplicação adicional da velocidade de transmissão e resultando em um aumento geral de 4 vezes na velocidade da porta em comparação com um módulo QSFP28.

A tradicional modulação não-retorno a zero (NRZ) utilizada nos transceptores de fibra modula a intensidade da luz em dois níveis. A PAM usa quatro níveis de intensidade de luz para codificar dois bits em cada período de pulso óptico em vez de um, permitindo quase o dobro dos dados na mesma largura de banda (Figura 3).

Figura 3: transmissões PAM4 mais complexas transportam muito mais dados do que a NRZ. (Fonte da imagem: Cisco)

QSFP-DD para grandes datacenters

Os projetistas de datacenters empresariais e em nuvem de grande escala podem recorrer ao transceptor óptico QSFP-DD SPTSHP3PMCDF da Intel Silicon Photonics. Esse módulo tem capacidade de transmissão de 2 km, é especificado para operação de 0 °C a +70 °C e suporta links ópticos de 400 G sobre fibra SM ou quatro links ópticos de 100 G para aplicações breakout (Figura 4). Os recursos desse transceptor QSFP-DD incluem:

• Conformidade com a especificação de interface óptica MSA 4 x 100 G Lambda e o padrão de interface óptica IEEE 400GBASE-DR4
• Conformidade com o padrão de interface elétrica IEEE 802.3bs 400GAUI-8 (CDAUI-8)
• Conformidade da interface de gerenciamento CMIS com o diagnóstico e controle completo do módulo através de I²C

Figura 4: esse transceptor QSFP-DD tem um alcance de 2 km. (Fonte da imagem: Intel)

SFP+ multimodo

O transceptor óptico SFP+ FTLF8538P5BCz da II-VI tem funções DDM integradas e foi projetado para uso em taxa de dados de 25 G sobre fibra MM (Figura 5). É projetado para operar de 0 °C a +70 °C. Inclui outros recursos:

• Transmissor a laser emissor lateral de cavidade vertical (VCSEL) de 850 nm
• Transmissão de 100 m sobre 50/125 μm OM4, cabo M5F MMF
• Transmissão de 70 m sobre 50/125 μm OM3, cabo M5E MMF
• Taxa de erro de bit (BER) 1E-12 acima de 30 m com cabo OM3 e 40 m com cabo OM4
• Consumo máximo de energia de 1 W

Figura 5: esse transceptor SFP+ é classificado para 25 G e utiliza fibra MM. (Fonte da imagem: II-VI)

SPF monomodo

O SFP-10G-BXD-I e o SFP-10G-BXU-I da Cisco operam com fibra SM que suporta distâncias de transmissão de até 10 km. Um SFP-10G-BXD-I sempre é conectado a um SFP-10G-BXU-I. O SFP-10G-BXD-I transmite um canal de 1330 nm e recebe um sinal de 1270 nm, e o SFP-10G-BXU-I transmite um sinal de comprimento de onda de 1270 nm e recebe um de 1330 nm. Esses transceptores também incluem funções DOM que monitoram o desempenho em tempo real.

Loopbacks para testes

Os engenheiros e técnicos de rede e teste podem usar loopbacks de fibra óptica e módulos de loopback para testar a capacidade de transmissão do equipamento de rede óptica e a sensibilidade do receptor. A ColorChip fornece um módulo de loopback que suporta cenários de alta utilização com 2000 ciclos, para -40 °C a +85 °C (Figura 6). Esse módulo de loopback inclui consumo de energia múltiplo definido por software para emular a potência do módulo óptico e as características de perda de inserção embarcada emulando cabeamento real para Ethernet, Infiniband e Fibre Channel 200/400 G. A proteção integrada contra surto de corrente atenua os riscos de danificar o dispositivo testado. Os usos desse módulo de loopback incluem testes de portas, testes de implantação em campo e solução de problemas em equipamentos.

Figura 6: esse módulo de loopback é projetado para testar o desempenho dos transceptores ópticos. (Fonte da imagem: DigiKey)

Kit de desenvolvimento QSFP 800 G

Para engenheiros de rede que se preparam para a próxima geração de transceptores 800 G, a Multilane oferece a ML4062-MCB que fornece uma plataforma eficiente e fácil de usar para programação e teste dos transceptores QSFP-DD800 e cabos ópticos ativos (Figura 7). A GUI suporta todas as características definidas pelo MSA QSFP-DD e simplifica o processo de configuração. Ela pode ser usada para simular um ambiente real para testes, caracterização e fabricação de módulos transceptores QSFP-DD, e está em conformidade com as especificações OIF-CEI-112G-VSR-PAM4 e OIF-CEI-56G-VSR-NRZ.

Figura 7: essa plataforma de desenvolvimento é projetada para uso com transceptores de 800 G de última geração. (Fonte da imagem: DigiKey)

Resumo

Os transceptores de fibra óptica atendem as necessidades dos engenheiros de rede de datacenters de soluções de alta velocidade, compactas e de baixa potência. Esses transceptores estão disponíveis em vários formatos e em três faixas de temperatura de operação padrão, com fibras SM ou MM. Os módulos Loopback podem ser usados para validar o desempenho dos elementos da rede de fibra óptica. As plataformas de desenvolvimento podem ser usadas para explorar os recursos dos transceptores 800 G e preparar o caminho para a próxima geração de redes baseadas em fibra.